Un trou noir surpris en train d’expulser de la matière, à plus de 99% de la vitesse de la lumière !

Un an après la fulgurante et inédite photographie des abords du trou noir M87*, reprise massivement dans le monde entier, le collectif Event Horizon Telescope revient à la charge avec de nouveaux clichés. Les photographies de la nouvelle cible du télescope virtuel révèlent avec une précision révolutionnaire un trou noir géant, de type quasar, éjectant de la matière relativiste ! Le spectacle saisi sur le vif nous offre l’occasion de nous évader quelques instants loin du sombre et anxiogène contexte du CoViD-19…

Figure 1 : (A gauche) Vue d’artiste du quasar 3C 279. Crédit : ESO/M. Kornmesser (2012). (A droite) Photographie du quasar 3C 279 à la résolution de 20 ?as. Crédit : EHT (2020).

Un nouveau cliché qui donne le vertige a été publié le 7 avril 2020 dans la revue Astronomy & Astrophysics par les équipes en charge du monumental Event Horizon Telescope (EHT). En effet l’ingénieux instrument, dont la réputation n’est plus à faire depuis 2019, a capturé le moment où le quasar dénommé 3C 279 a produit un jet au sein duquel de la matière a été propulsée à 99,5% de la vitesse de la lumière. A titre de comparaison, l’objet le plus rapide jamais construit par l’être humain est à l’heure actuelle la sonde spatiale Parker Solar Probe. Le record a été atteint le 29 janvier 2020 lorsqu’elle s’est aventurée à moins de 25 millions de kilomètres du Soleil, évoluant à près de 393 044 km/h en vitesse relative par rapport au Soleil (soit 0,064% de la vitesse de la lumière).

Trous noirs supermassifs

Alors que la collaboration EHT continue d’analyser les données obtenues lors de la campagne d’observation d’avril 2017, les astrophysiciens ont dernièrement étudié celles relatives au trou noir supermassif (n.d.l. : abrégé SMBH) 3C 279. Situé à cinq milliards d’années-lumière de la Terre dans la constellation de la Vierge, le télescope virtuel l’avait pointé pendant quatre jours, en parallèle des relevés menés sur les SMBHs M87* et Sgr A*.

À l’heure actuelle, le trou noir est « l’astre » astrophysique — en réalité correspond à une région de l’espace — le plus compact que nous puissions connaître dans l’Univers ; historiquement le premier identifié est le trou noir de l’étoile compagnon Cyg X-1. La force gravitationnelle en son sein est si forte que rien ne peut s’en échapper une fois l’horizon des évènements franchit (nom donné à la frontière de « non-retour » du trou noir), pas même un petit photon. C’est pourquoi, comme la lumière ne peut en sortir, les trous noirs sont invisibles… ou presque. Les astrophysiciens ont eu l’ingénieuse idée d’observer le comportement de la matière autour de ce dernier pour les détecter. Lorsqu’un trou noir « aspire » la matière aux alentours, celle-ci émet un signal lumineux trahissant sa présence (rayonnement synchrotron).

Figure 2 : Infographie d’un trou noir supermassif. Crédit : AFP/NASA/JPL-Caltech.

Les gaz et poussières attirés gravitationnellement par un trou noir se rassemblent en un anneau brillant qui lui tourne autour à la manière d’une tornade cosmique : c’est le disque d’accrétion. La lumière générée par la matière dans ce disque est très énergétique — les astrophysiciens relèvent des émissions de rayons X. En effet, le trou noir a l’allure d’un accélérateur de particules spatiales puisque plus la gravité attire la matière vers lui, plus la vitesse de rotation du disque d’accrétion augmente (comme quand de l’eau se vide dans un lavabo). En tourbillonnant, les particules entrent en collision et s’échauffent à plusieurs millions de degré. À cette température, elles émettent donc bien des rayons X (concordance avec les observations) et celles qui sont au plus proche du trou noir atteignent la moitié de la vitesse de la lumière.

Contrairement à un trou noir stellaire (i.e. formé à la mort d’une étoile très massive), un SMBH comme 3C 279 se localise au centre d’une galaxie et est près d’un milliard de fois plus massif que le Soleil. Toutefois, tous les SMBHs ne libèrent pas forcément la même intensité lumineuse car elle dépend de l’activité intrinsèque du trou noir — à savoir s’il s’avère actif ou passif —, étant une conséquence directe de la conduite de son champ magnétique. La lumière perçue n’est donc pas renvoyée directement par le trou noir, mais en réalité par la matière regroupée dans le disque d’accrétion entourant le trou noir. Ainsi, un trou noir paraîtra d’autant plus brillant qu’il ingère une importante quantité de matière (mélange de gaz et de poussières) puisque la matière émettra des radiations de plus haute énergie, d’où le qualificatif actif. En revanche, un SMBH est dit passif si la matière reste plutôt en orbite autour du trou noir (i.e. ne consommant pas de matière). Il est estimé à 5% la part des galaxies actives connues, possédant effectivement une région centrale où la densité de matière et la luminosité sont maximales — aussi appelées AGN pour noyau actif de galaxie.

Portrait du quasar 3C 279

Les quasars — pour sources de rayonnement quasi-stellaire — font parties de la famille des galaxies de type AGN. Ils se démarquent donc nettement grâce à leur noyau mille à dix mille fois plus lumineux que celui d’une galaxie typique comme la Voie Lactée, même en comprenant toutes ses étoiles (Lgalaxie ~10^10 L? et Lquasar~10^14L?). Cette source ultra-lumineuse compacte peut subir de rapides variations de luminosité lorsque son SMBH engloutit du plasma. Le “petit plus” des quasars se traduit par la présence d’un jet qui est expulsé par l’axe polaire du SMBH central (i.e. perpendiculairement au plan formé par le trou noir) et composé d’une partie de la matière chauffée au sein du disque d’accrétion (cf. Fig.1).

Figure 3 : Photographie où l’on voit la galaxie spirale barrée NGC 4319 au premier plan et le quasar Markarian 205 (Mrk 205) en haut à droite. NGC 4319 se situe à une distance de 80 millions années-lumière de la Terre (i.e. z = 0.007) tandis que Mrk 205 repose à plus d’un milliard d’années-lumière (i.e. z = 0.07). La différence de luminosité est flagrante. Crédit : HST.

Avec les télescopes optiques, la plupart des quasars connus s’assimilent à de petits points lumineux dûs à une résolution insuffisante de ces régions car leur galaxie hôte est souvent très lointaine de la Terre (redshift allant de 0,06 à 6,4). La plupart semblent avoir apparu pas moins de 550 millions d’années après le Big Bang, soit très tôt dans la genèse de l’Univers. C’est pourquoi les clichés du quasar 3C 279 pris par l’EHT sont remarquables car la résolution atteinte est de moins d’une année-lumière (soit 10^16 m) alors que la cible est située à des milliards d’années-lumière de la Terre !

Une géométrie inattendue du jet supraluminique

La Fig. 4 met à l’évidence l’éruption d’un jet de plasma relativiste (i.e. les particules avoisinent la vitesse de la lumière) par le quasar 3C 279. En étudiant les détails du jet sur quelques jours, avec une précision inédite, les astrophysiciens ont discerné à l’intérieur la présence d’un nodule (i.e. agglomérat de matière) en train de s’éloigner du disque du quasar. Quatre clichés seulement ont permis de suivre sa progression et les déplacements ont montré que la matière était propulsée à 99,5% de la vitesse de la lumière !

Figure 4 : Images en millimétrique obtenues du quasar 3C 279 par trois différents télescopes en avril 2017. La tâche elliptique supérieure correspond au disque d’accrétion du trou noir supermassif et la tâche à la forme allongée en bas au jet de matière émis. Crédit : J.Y. Kim/Boston University Blazar Program (VLBA and GMVA)/ EHT Collaboration.

Ces mesures, quoique faramineuses, sont pourtant tout à fait consistantes avec les lois de la physique sous l’effet du SMBH. Autre fait déconcertant, le jet (structure en bas de l’image) habituellement rectiligne se présente finalement sous une forme torsadée, comme tordu à sa base. Le jet de plasma étant étroitement aligné à la ligne de visée, un scénario est envisagé : si des nodules se déplaçaient dans un jet coudé hélicoïdal, alors il serait possible de visualiser ce mouvement apparent vers l’arrière. Cette étonnante géométrie suggère la présence de chocs se propageant le long du jet, ou alors d’instabilités dans un virage si le jet tourne. Ces deux scénarios pourraient expliquer l’émission de rayons gamma constatée sur les images. En outre, l’éclat et l’étendue du disque (structure en haut de l’image) varient entre les clichés. Une explication plausible avance que ces fluctuations seraient induites par la rotation du disque d’accrétion et du déchiquetage de la matière quand elle sombre dans le quasar.

Bien que ces phénomènes aient été prédits par les simulations numériques, ils n’avaient encore jamais été vus avant. Depuis la Terre, le déplacement rapide du jet induit l’illusion qu’il se propage entre quinze et vingt fois la vitesse de la lumière. Le mouvement supraluminique se produit lorsqu’une expulsion de matière est dirigée, de manière légèrement décalée, vers la Terre et que les particules très collimatées dans ce jet se déplacent à une vitesse relativiste (i.e. proche de la vitesse de la lumière).

Figure 5 : Evolution de la matière au sein du jet du quasar 3C 279, à 99,5% de la vitesse de la lumière. La structure visible en haut est le disque de matière entourant le trou noir. Crédit : EHT.

Dans un communiqué de presse Jae-Young Kim, l’un des auteurs de l’article, partage son émotion : « Nous savions qu’à chaque fois que l’on ouvrait une nouvelle fenêtre sur l’Univers, il était possible qu’on trouve quelque chose de nouveau », et cela a été le cas pour le quasar 3C 279. Avec le degré de précision de l’EHT, « là où nous nous attendions à trouver la région où le jet se forme, nous avons en fait trouvé une sorte de structure perpendiculaire. C’est comme lorsqu’on arrive à la dernière poupée Matriochka : contre toute attente elle a une forme très différente des précédentes. ». L’astrophysicien Avery Broderick ajoute que « la résolution de l’EHT combinée aux nouveaux outils de calcul ont permis de résoudre l’unique “noyau” radio en deux structures indépendantes et complexes ! ».

VLBI : la redoutable ingéniosité de l’EHT

Pour capturer ces instants de l’Univers, l’EHT a recourt à une technique appelée l’interférométrie à très longue base (VLBI) qui synchronise et relie les radio télescopes à travers le monde observant à la longueur d’onde de 1,3 mm (soit 230 GHz). Le résultat est saisissant : la combinaison des différents réseaux forme un immense télescope virtuel de la taille de la Terre ! La conséquence directe de l’EHT est de pouvoir désormais résoudre dans le ciel des objets aussi petits que 20 ?as (microsecondes d’arc) — en ordre de grandeur cela correspond à une personne capable d’identifier une orange à la surface de la Lune depuis la Terre.

Figure 6 : (A gauche) Carte montrant la localisation des radiotélescopes participant à la collaboration EHT. Crédit : ESO/L. Benassi & O.Furtak. (A droite) Les antennes du réseau de radiotélescopes VLA aux États-Unis.

Les signaux d’onde radio sont reçus par chaque antenne qui sont convertis de l’analogique au numérique. Ces données sont accompagnées d’une heure précise, généralement fournie par une horloge atomique locale, puis enregistrées sur des disques durs. Pour la campagne de 2017, les disques durs ont rassemblé environ 4 000 térabits de données. Les enregistrements de tous les radiotélescopes ont été ensuite envoyés dans des supercalculateurs (le correlator) pour y être combinés. L’ensemble de ces relevés sont calibrés et analysés méticuleusement par des scientifiques afin d’être en mesure de produire une image résultante avec le plus de détails possible. La résolution atteignable avec un interféromètre radio est proportionnelle à la distance séparant les antennes les plus éloignées du réseau et à la fréquence observée.

Figure 7 : Un diagramme schématique expliquant la technique VLBI. Crédit : ALMA/ESO/J. Pinto & N. Lira.

« Le réseau EHT est en constante évolution », explique Shep Doeleman, le directeur et fondateur de la collaboration. « Ces nouveaux résultats sur le quasar sont la preuve que les capacités uniques de EHT permettent d’aborder un large panel de questions scientifiques, qui ne fera que croître à mesure que nous continuerons à ajouter de nouveaux télescopes au réseau. Notre équipe est maintenant en train de travailler sur une nouvelle génération de EHT qui permettra de mettre l’accent sur les trous noirs et de réaliser les premiers films sur les trous noirs. »

La preuve irréfutable de l’existence des trous noirs

Il est désormais devenu difficile pour quiconque de nier l’existence des trous noirs depuis que les astrophysiciens ont publié le 10 avril 2019 la photographie de l’ombre de M87* par l’EHT : une première mondiale ! L’image montre un anneau brillant (i.e. le disque d’accrétion du trou noir M87*) alors que la lumière se courbe dans l’intense gravité autour de ce SMBH et cela à cause de sa masse — 6,5 milliards de fois plus massif que le Soleil. Cette image, rêvée par plus d’un astronome, fournit les preuves les plus solides à ce jour de l’existence des SMBHs et ouvre une nouvelle fenêtre sur l’étude des trous noirs, de leurs horizons des événements et de la gravité.

Figure 8 : ”Image du trou noir” M87 publié le 10 avril 2019. Crédit : EHT Collaboration.*

Anton Zensus, président du Conseil de Collaboration de l’EHT, a tenu à souligner que cette réalisation constitue un effort collectif : « L’année dernière, nous avons pu présenter la première image de l’ombre d’un trou noir. Maintenant, nous voyons des changements inattendus dans la forme du jet de 3C 279, et nous n’en resterons pas là. Comme nous l’avons dit l’année dernière : ce n’est que le début. » Les opportunités de mener des campagnes d’observation avec le réseau VLBI se présentent une fois par an, au début du printemps nordique. Malheureusement la campagne de mars/avril 2020 a dû être annulée en raison de l’épidémie mondiale de CoViD-19. En annonçant l’annulation, Michael Hecht, astronome et directeur adjoint du projet, a averti la communauté que la collaboration allait « maintenant [se] consacrer entièrement à l’achèvement des publications scientifiques à partir des données de 2017 et [se] plonger dans l’analyse des données obtenues en 2018 avec le réseau EHT amélioré.” Il est prévu pour printemps 2021 que le réseau de radiotélescopes s’étende à onze observatoires (en 2017, huit stations ont participé aux observations).

Margaux ABELLO

@MargauxAbello

Glossaire des abréviations : 

EHT = Event Horizon Telescope 

SMBH = Trou noir Supermassif (en anglais : supermassive black hole)

AGN = Noyau actif de galaxie (en anglais : active galactic nucleus).

Quasar = source de rayonnement quasi-stellaire (en anglais : quasi-stellar radio source)

VLBI = Interférométrie à très longue base (en anglais : very long baseline interferometry)

?as = microseconde d’arc

Lgalaxie= Luminosité émise par une galaxie 

L?= Luminosité émise par notre Soleil

Sources :

Articles de vulgarisation

Vue d’artiste du quasar : https://www.eso.org/public/france/images/eso1229a/
Publication : https://www.eso.org/sci/publications/messenger/archive/no.177-sep19/messenger-no177-25-35.pdf
Documentaire Arte : https://boutique.arte.tv/detail/mysterieux_trous_noirs